JPH03145964A - 電源内蔵scrゲート駆動回路 - Google Patents

電源内蔵scrゲート駆動回路

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JPH03145964A
JPH03145964A JP2224564A JP22456490A JPH03145964A JP H03145964 A JPH03145964 A JP H03145964A JP 2224564 A JP2224564 A JP 2224564A JP 22456490 A JP22456490 A JP 22456490A JP H03145964 A JPH03145964 A JP H03145964A
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gate
anode
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bipolar transistor
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クリストフアー・オウステイン・スミス
George K Woodworth
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明は包括的に電源回路に関し、詳細にいえばSCR
電源回路に関する。
[従来の技術] 高電力の応用分野でシリコン制御整流素子(SCR)を
切り換えるには、SCRの電流を精確に制御し、デバイ
スをオンにする適切なタイミングを確保す2る必要があ
る。電力線で作動している大型システムが電流及び電圧
の波形のひずみを引き起こす、反復した電子的な負荷を
有することがしばしばある。このひずみによる負荷電流
の極性逆転は、望ましくないSCRのサイクル途中での
転流あるいはオフ状態を引き起こす。
従来技術においては、SCRゲートとその制御装置の間
でエネルギーを結合する変圧器によるSCRの分離と制
御が、しばしば行なわれていた。
各SCRゲートごとに個々の駆動変圧器が必要なため、
この従来技術のドライバ回路の手法の複雑さが増す。変
圧器ゲート・ドライバは構成のサイズ及び重量を増やす
ものであり、連続した直流ドライブ信号を維持すること
ができない。高いパルス繰返し数でゲート信号を再供給
する必要があるため、SCRドライブ・システム用の従
来技術の変圧器の設計はパフォーマンス上鈑しい制限が
課されている。
[発明が解決しようとする課題] したがって、本発明の目的は、SCRの電流を精確に制
御して、デバイスがオンになる適切なタイミングを確保
するSCRゲート・ドライブ回路を提供することである
本発明の他の目的は、サイズ及び重量が大幅に削減され
た電源内蔵SCRゲート・ドライブ回路を提供すること
である。
本発明の他の目的は、所定の最大出力ドライブ電流を維
持できる電源内蔵SCRゲート・ドライブ回路を提供す
ることである。
本発明の他の目的は、光電子的結合によって、制御入力
と出力の間で高い電圧分離特性を有する、電源内蔵SC
Rゲート・ドライブ回路を提供することである。
[課題を解決するための手段] 本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は、以下で開
示する電源内蔵SCRゲート・ドライブ回路によって達
成される。改善されたゲート・ドライブ回路は、SCR
の両端間に充分な極間電圧差があるとき、連続したゲー
ト電流をもたらす。
本明細書に記載するこの手法は、負荷電流のひずみによ
る転流のたびに、SCRゲート電流を監視し、再供給す
る必要をなくすものである。従来のSCRゲート・ドラ
イバの設計は、ゲート電流のパルス列を使用して、SC
Rをオン状態に維持する手段を提供していた。パルス式
ゲート制御手法では、SCRの作動にギャップがあり、
ドライブ・エネルギーの大半を散逸させる大規模な回路
が必要であった。
この改善されたドライバ回路では、エネルギーはSCR
の極間電圧差から得られる。このため、個々の電源が各
SCRに分離されたゲート信号を供給する必要がなくな
る。この内蔵電源機能は、多相電力システムまたは基準
づけされていない電力システムにおいて複数のSCRを
制御する際の複雑さを低減させる。この方法によっても
たらされる融通性によって、高電力SCRをディジタル
処理装置型の制御装置と直接インタフェースすることが
可能となる。
[実施例コ 第1図の改善されたゲート・ドライバ回路20は、SC
Rの両端間で充分な極間電圧差があるとき、連続したゲ
ート電流をもたらす。本明細書に記載するこの手法は、
負荷電流のひずみによる転流のたびに、SCRゲート電
流を監視し、再供給する必要をなくすものである。従来
のSCRゲート・ドライバの設計は、ゲート電流のパル
ス列を使用して、SCRをオン状態に維持する手段を提
供していた。パルス式ゲート制御手法では、SCRの作
動にギャップがあり、ドライブ・エネルギーの大半を散
逸させる大規模な回路が必要であった。
この改善されたドライバ回路2oのエネルギー・はSC
Rの極間電圧差から得られる。このため、個々の電源が
各SCRに分離されたゲート信号を供給する必要がなく
なる。この内蔵電源機能は、多相電力システムまたは基
準づけされていない電力システムにおいて複数のSCR
を制御する際の複雑さを低減させる。この方法によって
もたらされる融通性によって、高電力SCRをディジタ
ル処理装置型の制御装置と直接インタフェースすること
が可能となる。
この構成を付勢するのに必要な極間電圧は約4ボルトで
あり、主としてSCRのゲート特性によって決まる。ト
ランジスタQ1〜Q4からなるゲート・ドライバ回路は
、その電力をSCRの陽極及び陰極端子から得ている。
SCRの陽極と陰極の間に電位差がある場合、及び制御
電流が入力トランジスタIC1bでオンである場合、電
流がトランジスタQ1〜Q4を通って流れ、若干の電力
の散逸を生じる。しかし、いったんSCRが導通状態に
なると、その極間電位は、実質的にO・ボルトになる。
この状態では、ゲート・ドライブ回路には実質的に電圧
差がないので、トランジスタQ1〜Q4には電流は流れ
ず、この回路内では電力の散逸は実質的にない。また、
入力トランジスタIC1bのベースに加えられる入力信
号がない場合、及びSCRの陽極端子と陰極端子の間に
正の電位差がある場合、トランジスタQ1〜Q4中に少
量のもれ電流が流れるので、きわめて少量の電力散逸が
生ずる。SCRの陽極端子と陰極端子の間に負の電位差
がある場合には、電流は流れず、このため、ゲート・ド
ライブ回路を通る逆方向の電流の流れが防止されるよう
に、ダイオードD2、D3はポーリングされていること
に留意されたい。
SCRは、導通中、陽極から陰極に向かって約2ボルト
の電圧降下をもち、これによってドライバ回路の周りの
すべての負荷エネルギーを効率的に分流し、ドライバ構
成要素内の散逸をなくすことができる。
このドライバ回路は、フォトトランジスタによって低電
圧点信号回路から光学的に分離されている。
この技法は、高電圧の応用分野では特に望ましく、また
電力システムの「接地点」または中性点が基準づけされ
ていない場合にも望ましい。この光学分離回路は、高電
圧電力回路と低電圧入力制御信号との間の電気的分離バ
リヤをもたらす。SCRゲート電流は、SCRの陽極と
陰極の間の電圧差から得られる。この電源電圧の振幅は
、テストした回路では、0から最大175ボルトの正弦
波電圧値まで変化する。この電源電圧の大きな変化は、
SCRゲート端子に印加されるドライブ電流を制限する
ために制御回路を必要とする。
ゲート・ドライブは、印加された正弦波電圧振幅に関係
なく、約4ボルトの最小値を超える調節されたゲート電
流を供給するように制限される。
テストされた回路内の電流調節素子Q3、Q4、R7は
、4〜175ボルトの入力範囲にわたってゲート電流8
0ミリアンペアにセットされた。このゲート・ドライバ
の設計全体の動作説明は以下で行なう。
第1図で、出力トランジスタQ4のベースは、ドライブ
信号をSCRのゲートに供給するためにトランジスタQ
2によって低レベルに引き下げられている。トランジス
タQ3は、抵抗R7とあいまって、R7の電流が所望の
電流限界(80ミリアンペア)を超えた場合、Q4から
ベース・ドライブを「盗む」制限回路を形成して、Q4
を通る電流を制限する。これによって、sCRの両端間
の電位に関係なく振幅が固定された、scRへの適正な
ゲート電流が保証される。SCRのゲートをオーバドラ
イブすると、ゲートで過剰な電力の散逸を起こし、SC
Rの故障につながりつるので好ましくない。調節しない
SCRゲート・ドライブは、ドライブ構成要素により大
きなストレスを加え、この設計が許容できる動作電圧範
囲を大きく制限する。
トランジスタQ1と抵抗R2は、15ボルト調節素子と
して動作し、内部動作電圧を、光カプラIC1b内の出
力トランジスタの定格電圧範囲以下に制限する。この値
は、ダイオードD1のツェナー電圧にほぼ等しく、この
回路では15ボルトである。
抵抗R1の大きさは、I、C1aを通る入力電流が有効
な動作レベルになるように選択する。IC1aの入力L
EDに制御電源から電流が供給されたとき、出力トラン
ジスタIC1bは、光電流によりオンになり、15ボル
トの電力をQlから制限抵抗R4に伝え、NPNトラン
ジスタQ2をオンにする。漏れ光電流及び漂遊光電流の
影響を最小にするために、Q2のベースをバイパスする
分路抵抗R5が追加され、R3はIC1bのベースをバ
イパスする。C1は、ドライブ信号の応答を調整し、ド
ライバ回路の配線内でピックアップされたノイズをフィ
ルタ除去するために選択されたタイミング・コンデンサ
である。
制御信号が非活動状態のときは、光電流はIC1bの出
力トランジスタに供給されず、そのトランジスタは非導
通状態になる。抵抗R3は、フォトトランジスタ(IC
1b)のベースから電荷を流して、そのフォトトランジ
スタがオフ状態のままとなるようにする。これによって
、Q2はオフになる。Q2がオフになると、Q4のベー
スへの電流路はないので、Q4はオフのままになる。Q
4は、ゲート電流のSCRへの流れを遮断し、それによ
ってSCRの自然転流が可能になり、SCRの極間電圧
が0を通過するとき、負荷にかかる電力が遮断される。
ダイオードD2及びD3は、電源正弦波の極性が逆転し
てSCRが電流を流すことができない間、ドライバ回路
の逆転極性ブロッキングを行なう。
C2は、小さなフィルタ用コンデンサであり、電力制御
配線及びSCR端子上でピックアップされたノイズから
ドライバ回路に加えられる電圧スパイクを減少させるた
めのものである。
第1図の回路20には、IC1aのLEDダイオードに
接続された2本の入力信号リード線、及びSCRから電
力をピックアップし、SCRにゲート・ドライブを提供
する3本の出力リード線がある。物理サイズが小さく、
部品数が少なく、電力散逸が最小であるため、回路20
は、SCR構成本体のパッケージ内に収めることができ
る。したがって、ノイズ、複雑さ、及び新しい装置の設
計でこれらのSCRを実施するのに必要な面積を減らす
ことができる。
第2図は、電源電圧波形の5連続周期の間の電源電圧V
A1SCR極間電圧VB、制御電圧vC1及びゲート電
流IGの波形図である。具体的には、第2図は、時刻T
aで制御電圧がオンになったときから時刻Teで制御延
圧がオフになるまでの本発明の動作を示している。Ta
からTeまでの間、ゲート電流IGは、SCRにゲート
・ドライブを提供する正電流パルスをもつことが図から
れかる。
TOからT1までの電源電圧正弦波形の第1周期の間、
制御電圧VCはオフである。したがってSCRは導通状
態でないので、負荷にリアクタンスがない場合は、第2
図を見るとわかるように、SCR極間電圧は電源電圧に
追従する。この期間中、ゲート電流IGはOである。
次のT1からT2までの次の周期の間、制御電圧VCは
時刻Taにオンになる。この制御電圧によって、Ic1
a内のLEDがフォト・トランジスタIC1bのベース
を照射し、それによって電流がトランジスタQ2のベー
スに流れ込む。これによってQ2が導通し、それによっ
て電流は、トランジスタの組合せQ3及びQ4中を流れ
る。Q3及びQ4は、抵抗R7とともに電流調節素子と
して動作する。したがって、最大値電流IG(MAX)
が、トランジスタQ4のコレクタから出力され、ゲート
電流としてSCRに印加される。本発明によれば、SC
Rの陽極及び陰極における電源電位も、Q3のエミッタ
とQ2のエミッタの間でゲート・ドライブ回路20に印
加される。このように、ゲート・ドライブ回路の両端間
に正電位差がある場合には、ゲート電流I G (MA
X)は、ゲート電流としてSCRに流れる。第2図から
れかるように、ゲート電流は、はぼ時刻Taにオンにな
り、後の時刻TbまでI G (MAX)の値で流れ続
ける。時刻Tbに、SCRのオン状態によって表される
実質的にOのインピーダンス中を電流が流れるために、
SCR極間電圧VBは0に降下する。T1からT2まで
の周期の間の波形VAの正部分の残り部分では、ScR
極間電圧VBは実質的にOになる。SCRは、T1とT
2の間の電源電圧波形の負部分の間、陽極から陰極に導
通するだけなので、第2図かられかるように、VBは負
波形に追従する。
T2からT3までの第3周期の1jJJ、時刻T2で電
源電圧VAは負から正に移行するので、電源からの正の
電位差が、ゲート・ドライブ回路2oの両端間に印加さ
れ、それによってゲート電流IGが流れ、その最大値I
 G (MAX)に達する。この電流は、SCRがゲー
ト・ドライブ電流によってオンになり、それにより、ゲ
ート・ドライブ回路20の両端間の電位差がOに降下す
るまで流れる。SCR電圧VBのこの小さな正のふれは
時刻T2とTcの間で見られる。その後、電源電圧波形
VAの残りの正部分では、VBは0に戻る。同様に、T
3からT4までの第4周期の間に、scR極間電圧VB
は、T3からTdまでの短期間正になる。その間に、ゲ
ート電流は最大値IG(MAX)になり、次にTdでS
CRが完全に導通状態になったとき、ゲート電流はOに
戻る。
T3からT4までの間、時刻Teに制御電圧VCは選択
的にO電圧に戻される。SCRは、その陽極からその陰
極へ電流を流しているので、電源電圧VAがSCRの両
端間に正の電位差を印加し続けるかぎり、SCRは実質
的に電流を流し続ける。電源電圧VAがその負の半サイ
クルに入るとき、SCRはオフになり、その後もオフの
ままになる。これは、電源電圧VAが負から正に移行す
る時刻T4を見るとわかる。制御電圧VCがオフなので
、ゲート電流IGがSCRに印加さ′れる可能性はない
。したがって、SCRは、正の電位がその陽極と陰極の
間に印加されていても、オンにならない。すなわち第2
図かられかるように、電圧VBはこの時、電源電圧VA
の波形に追従する。
得られた回路は、いくつかの長所をもつ。LED  I
C1aに埋め込まれた光カップラ、及びフォト・トラン
ジスタIC1bは、制御電圧VCとSCRの動作をはっ
きり分離する。ゲート・ドライブ回路20が動作すると
、ゲート電流の最大電流I G (MAX)をもたらす
。それによって、スプリアスな大スパイクがSCRのゲ
ート電極に印加されるのが防止される。ゲート・ドライ
ブ回路20は、負荷をも駆動している電圧源からその電
力を取り出すので、電源内蔵式である。したがって、か
さばり、場所をとり、重く、かなり経費がかかる、追加
の変圧器電源要素が不要になる。さらに、第2図に示し
た電源電圧波形VAは正弦波形であるが、第1図の回路
で陽極端子及び陰極端子に他の多くの波形を印加するこ
ともできる。事実、SCRが適用できるどのような応用
例にも、ゲート・ドライブ回路20が適用できる。それ
には、DC回路、及び各種の電源電圧波形応用例が含ま
れる。
得られた電源内蔵SCRゲート・ドライブ回路は、SC
Rの両端間に充分な極間電圧差があるとき、連続したゲ
ート電流を提供する。これによって、各SCRごとに分
離されたゲート信号を供給するための個々の電源が不要
になる。本発明によって提供されるこの柔軟性によって
、強力なSCRを、たとえばディジタル・プロセッサに
直接インターフェースすることが可能になる。
本発明は、ゲート・ドライブ信号に活動電流を制限する
特性を与える。本発明は、回路のゲート・ドライブ信号
に定電流源の性質を与える。本発明のゲート・ドライバ
は、SCRの両端間の電圧が適切な極性であり、ドライ
ブ回路に電力を供給するのに充分な大きさであり、O電
圧ターン・オンだけに制限されていないときはいつでも
SCRをトリガすることができる。本明細書で開示した
本発明は、0〜180度の導通の全範囲でSCRを動作
させることができる。本明細書で開示した本発明によっ
て提供されるSCRゲート・ドライブは、制御され調節
されたレベルに維持され、内部部品は、完全「オフ状態
」線電圧動作に定格される。さらに、本発明は、ツェナ
ー・ダイオード及びパス・トランジスタを伴った光カブ
ラで得られる電圧を特定レベルに調節する。さらに、本
明細書で開示した本発明の回路は、SCRゲート1リー
ド線への電流の通過を可能にするために、その回路の構
成要素をオンにする必要があり、構成要素のどれかが故
障した場合には、この回路は機能せず、電源回路に対す
る重要な安全上の特徴をもたらす。さらに、本明細書で
開示した本発明の回路は、線電圧値が最小カットイン点
を超えても、SCRへのゲート電流を一定値に制限する
ものである。このため、ストレス及び構成要素の電圧散
逸が減少し、同時に動作電圧の全範囲にわたって適切な
ゲート・ドライブ電流が維持される。これは、より高い
線電圧、たとえば440ボルトを通常使用する場合、き
わめて重要になる。この回路は、SCRの両端間の電圧
が2〜3ボルトしかないときに「ターン・オン」でき、
SCRの両端間の電圧が600ボルトのレベルにあると
きも安全にターン・オンできる。さらに、本発明は、逆
転ブロッキング・ダイオードを使用して、逆電流がこの
回路を通って陰極リード線からSCRゲート・ドライバ
に戻るのを防止することができる。
この追加の保護機構により、スパイク信号が間違ってゲ
ートをオンにし、またはドライブ回路を劣化させること
が防止される。要約すると、本発明は、調節された連続
するゲート電流信号を提供する電源内蔵の光学的に分離
されたSCRゲート・ドライブ・システムを提供する。
電力の散逸及び漏れ電流は、この回路によって低レベル
に制限される。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の電源内蔵SCRゲート・ドライブ回
路の概略回路図である。 第2図は、電源電圧VA1SCRの極間電圧VB1制御
電圧VC1及びゲート電流IGに対する負荷電圧波形を
示す波形図である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)陽極端子、陰極端子、及びゲート端子を有し、前
    記陽極端子と陰極端子が電圧源と負荷との間に接続され
    ている、SCRデバイスと、 陽極が前記SCRの陽極に接続された第1ダイオードを
    介して、前記SCRの陽極に結合されたエミッタと、抵
    抗を介して前記第1ダイオードの陰極に接続されたベー
    スとを有する、第1のPNPバイポーラ・トランジスタ
    と、 前記第1PNPトランジスタのベースに接続されたエミ
    ッタと、前記第1PNPトランジスタのコレクタに接続
    されたベースと、前記SCRデバイスのゲートに接続さ
    れたコレクタとを有する第2のPNPバイポーラ・トラ
    ンジスタと、 前記第2PNPバイポーラ・トランジスタのベースに接
    続されたコレクタと、第2抵抗及びこの第2抵抗に陽極
    が接続された第2ダイオードを介して前記SCRデバイ
    スの陰極に接続されたエミッタと、制御電圧に結合され
    たベースとを有する第1のNPNバイポーラ・トランジ
    スタとを含み、前記電圧源が、前記第1PNPバイポー
    ラ・トランジスタのエミッタと、前記第1NPNバイポ
    ーラ・トランジスタのエミッタとの間に電位差を印加し
    て動作電力を提供し、 前記第2PNPバイポーラ・トランジスタのベースが、
    前記第1NPNバイポーラ・トランジスタによって選択
    的に低レベルに引き下げられて、ドライブ信号を前記S
    CRのゲートに供給することを特徴とする、 電源内蔵SCRゲート・ドライブ回路。
  2. (2)さらに、前記第1NPNバイポーラ・トランジス
    タのベースと、前記SCRの陽極との間に結合されたエ
    ミッターコレクタ経路を有する、前記第1NPNバイポ
    ーラ・トランジスタにベース電流を供給するためのフォ
    ト・トランジスタと、前記フォト・トランジスタに近接
    した位置にあり、制御信号源に接続された陽極−陰極経
    路を有し、前記制御信号に応答して前記フォト・トラン
    ジスタを照射する光線を発生するための発光ダイオード
    とを含むことを特徴とする、 請求項1に記載の電源内蔵SCRゲート・ドライブ回路
  3. (3)陽極端子、陰極端子、及びゲート端子を有し、前
    記陽極端子と陰極端子が電圧源と負荷との間に接続され
    ている、SCRデバイスと、 前記SCRの陽極と陰極との間に結合され、入力端子と
    、前記SCRのゲートに接続された電流出力端子とを有
    し、前記入力端子の信号に応答して前記SCRにゲート
    ・ドライブ電流を供給するための電流調節手段と、 前記調節手段の前記入力端子と前記電圧源との間に結合
    され、入力制御信号源に接続されたスイッチ可能な光源
    を近くに有し、前記入力制御信号源からの信号に応答し
    て前記調節手段に付勢信号を供給するためのフォト・ト
    ランジスタとを含み、前記調節手段及び前記フォト・ト
    ランジスタが、前記電圧源から電力を供給されることを
    特徴とする、 電源内蔵SCRゲート・ドライブ回路。
  4. (4)陽極端子、陰極端子、及びゲート端子を有し、前
    記陽極端子と陰極端子が電圧源と負荷との間に接続され
    ているSCRデバイスを駆動するための電源内蔵SCR
    ゲート・ドライブ回路であって、陽極が前記SCRの陽
    極に接続された第1ダイオードを介して、前記SCRの
    陽極に結合されたエミッタと、抵抗を介して前記第1ダ
    イオードの陰極に接続されたベースとを有する、第1の
    PNPバイポーラ・トランジスタと、 前記第1PNPトランジスタのベースに接続されたエミ
    ッタと、前記第1PNPトランジスタの前記コレクタに
    接続されたベースと、前記SCRデバイスのゲートに接
    続されたコレクタとを有する、第2のPNPバイポーラ
    ・トランジスタと、前記第2PNPバイポーラ・トラン
    ジスタのベースに接続されたコレクタと、第2抵抗及び
    この第2抵抗に陽極が接続された第2ダイオードを介し
    て前記SCRデバイスの陰極に接続されたエミッタと、
    制御電圧に結合されたベースとを有する第1のNPNバ
    イポーラ・トランジスタとを含み、前記電圧源が、前記
    第1PNPバイポーラ・トランジスタの前記エミッタと
    、前記第1NPNバイポーラ・トランジスタの前記エミ
    ッタとの間に電位差を印加して前記ドライブ回路の動作
    電力を提供し、 前記第2PNPバイポーラ・トランジスタのベースが、
    前記第1NPNバイポーラ・トランジスタによって選択
    的に低レベルに引き下げられて、ドライブ信号を前記S
    CRのゲートに供給することを特徴とする、 電源内蔵SCRゲート・ドライブ回路。
  5. (5)さらに、前記第1NPNバイポーラ・トランジス
    タの前記ベースと、前記SCRの陽極との間に結合され
    たエミッターコレクタ経路を有し、前記第1NPNバイ
    ポーラ・トランジスタにベース電流を供給するためのフ
    ォト・トランジスタと、前記フォト・トランジスタに近
    接した位置にあり、制御信号源に接続された陽極−陰極
    経路を有し、前記制御信号に応答して前記フォト・トラ
    ンジスタを照射する光線を発生するための発光ダイオー
    ドとを含むことを特徴とする、 請求項4に記載の電源内蔵SCRゲート・ドライブ回路
  6. (6)陽極端子、陰極端子、及びゲート端子を有し、前
    記陽極端子と陰極端子が、電圧源と負荷との間に接続さ
    れているSCRデバイスを駆動するための電源内蔵SC
    Rゲート・ドライブ回路であって、前記SCRの陽極と
    陰極との間に結合され、入力端子と、前記SCRのゲー
    トに接続された電流出力端子とを有し、前記入力端子の
    信号に応答して前記SCRにゲート・ドライブ電流を供
    給するための電流調節手段と、 前記調節手段の前記入力端子と前記電圧源との間に結合
    され、入力制御信号源に接続されたスイッチ可能な光源
    を近くに有し、前記入力制御信号源からの信号に応答し
    て前記調節手段に付勢信号を供給するためのフォト・ト
    ランジスタとを含み、前記調節手段及び前記フォト・ト
    ランジスタが、前記電圧源から電力を供給されることを
    特徴とする、 電源内蔵SCRゲート・ドライブ回路。
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